2008–2013年川中丘陵區(qū)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降數(shù)據(jù)集

高美榮，況福虹*，朱波

1. 中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041

2. 中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點實驗室，成都 610041

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

大氣氮沉降是指活性氮通過干濕沉降（降雨、氣體和顆粒物）的形式進(jìn)入地表的過程，是氮生物地球化學(xué)循環(huán)中的重要過程之一。由于人類活動加劇，大氣氮沉降已逐漸成為重要的環(huán)境養(yǎng)分不斷輸入陸地生態(tài)系統(tǒng)。由于主要排放源差異（種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、工業(yè)、交通等），區(qū)域大氣氮沉降具有特定的區(qū)域特征，會直接影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入輸出過程及生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)[1]。因此，在一定區(qū)域范圍內(nèi)或典型生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行原位連續(xù)的大氣氮干濕沉降的觀測，是揭示大氣氮干濕沉降組分、通量及其時空格局和影響因素最為直接有效且可靠的方法。

鹽亭站是CERN和CNERN布局的以中亞熱帶四川盆地紫色土丘陵區(qū)為核心研究對象的唯一基礎(chǔ)性、公益性的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)長期試驗與觀測平臺，也是中國典型生態(tài)系統(tǒng)大氣濕沉降觀測網(wǎng)絡(luò)（China Wet Deposition Observation Network，ChinaWD）觀測站點之一，觀測從2008年開始持續(xù)至今。本文重點整理了在鹽亭站綜合觀測場獲取的2008–2013年大氣氮濕沉降和2011–2013年大氣氮干沉降觀測數(shù)據(jù)，填補(bǔ)區(qū)域觀測空白，以期為該區(qū)域大氣氮污染狀況，氮沉降的環(huán)境養(yǎng)分輸入以及氮沉降的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 采樣點介紹

采樣地點為中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站（國家野外科學(xué)觀測研究站成員站、中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)成員站）綜合觀測場內(nèi)（105o27′E，31o16′N），位于四川省綿陽市鹽亭縣林山鄉(xiāng)截流村小流域，距離鹽亭縣城14公里，地處嘉陵江和涪江的分水嶺上，海拔365–576.5 m之間。區(qū)內(nèi)地形為中深丘，由于水平砂泥巖互層形成多級梯地，山頂為園丘、長崗狀。溝谷切割較深，沖溝發(fā)育，相對高差10–200 m，谷地寬50–1500 m，兩側(cè)山坡較陡，平均坡比1:3–1:10。全區(qū)受東南季風(fēng)控制，年平均溫度為17.3℃，極端最高氣溫40℃，極端最低氣溫?5.1℃，大于10℃的積溫5000–6000℃。多年平均降雨量826mm，2008年后降雨總量有上升趨勢，降雨季節(jié)分布不均，春季占5.9%，夏季占65.5%，秋季占19.7%，冬季占8.9%，汛期暴漲暴落，無霜期294 d，具有四川盆地典型亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候特征。該區(qū)植被為人工榿木（Alder cremastogyne）、柏木（Cypresses funebris）混交林，土壤為鈣質(zhì)紫色土，質(zhì)地為中壤，主要農(nóng)作物有水稻、玉米、小麥、甘薯、油菜等，土地利用方式以農(nóng)用地為主。

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 大氣濕沉降樣品的采集及分析

對氮沉降的監(jiān)測使用原位定點連續(xù)監(jiān)測法，使用德國Eigenbrodt（UNS130/E）濕沉降采集系統(tǒng)采集降雨（圖1）。當(dāng)次降雨事件發(fā)生時，雨水通過濕沉降采集系統(tǒng)的集水漏斗進(jìn)入采集器，由PE管導(dǎo)入塑料瓶儲存，次降雨事件結(jié)束后兩小時內(nèi)，取出樣品收集瓶，將雨水轉(zhuǎn)移至樣品瓶，并用蒸溜水清洗漏斗、PE管和樣品收集瓶，以備下次采樣使用[2]。降雨事件結(jié)束后，降雨蓋受傳感器控制，會自動遮蔽濕沉降采集系統(tǒng)的雨水收集口，避免降塵進(jìn)入雨水收集口[3]。

圖1 英國生態(tài)水文中心Delta干沉降采集系統(tǒng)（左）和德國Eigenbrodt濕沉降采集系統(tǒng)（右）

1.2.2 大氣干沉降的采集及分析

使用英國生態(tài)水文中心開發(fā)的DELTA（Denuder for Long-term Atmospheric sampling）系統(tǒng)采集直徑<10 μm的顆粒物和氣體沉降物[2]，采樣高度為1.6 m。該采樣器為主動吸收，利用空氣泵和添加過吸附劑及濾膜的采樣鏈連接采樣，通過采集氣體的擴(kuò)散管和收集顆粒物的濾膜容器及特氟龍管龍管連接組成[3]。采集氨氣的擴(kuò)散管長10 cm，以5%檸檬酸甲醇作為吸附溶劑，采集硝酸的擴(kuò)散管長15 cm，以1%KOH＋1%甘油甲醇溶液作為吸附劑。采樣濾膜組上層吸收顆粒物pNO3?，添加5%KOH＋10%甘油甲醇作為吸附劑，下層濾膜吸收 PNH4+，以 13%檸檬酸甲醇作為吸附溶劑。NO2的采樣是使用被動采樣器—采集擴(kuò)散管（英國環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)研發(fā)）采集[4]，采樣高度為2 m。

1.2.3 樣品分析指標(biāo)及分析方法

將收集到的濕沉降樣品帶回實驗室，充分搖勻后取未過濾樣品測定總量，其余樣品使用孔徑0.45 μm微孔濾膜后均保存在4℃冰箱里，并在48小時內(nèi)分析完畢。樣品分析指標(biāo)及方法見表1。

表1 分析指標(biāo)及方法

1.3 數(shù)據(jù)處理的一些計算公式

1.3.1 月平均濕沉降濃度和量的計算

大氣氮沉降的某組分月平均濃度和月沉降量的計算方法如下：

式中，Cr是氮的某組分的月平均濃度（mg N L-1）；Ci是指第i次雨水樣品中氮的某組分的濃度（mg N L-1）；Hi是第i次雨水樣品中的降雨量（mm）；Fw是某組分氮的月濕沉降量（kg ha-1）；Rr是月降雨量（mm）。

1.3.2 月平均干沉降速率和月沉降量計算

（1）根據(jù)大葉阻力模型，干沉降速率被定義為三種不同沉降阻力之和的倒數(shù)[5]，監(jiān)測點實測氣象數(shù)據(jù)和大葉阻力模型計算研究區(qū)域內(nèi)不同形態(tài)干沉降氮的沉降速率Vd：

式中，Ra為空氣動力阻力，Rb為層流邊界阻力，Rc為下墊面冠層阻力。

其中，Ra參數(shù)化詳見Erisman和Draaijers的文獻(xiàn)[6]。

z為采樣器設(shè)置高度，k為卡曼常數(shù)（0.41），u*為摩擦速度，d為零點移動高度，z0為粗糙度長度，ψh為積分穩(wěn)定函數(shù)，L為莫奧長度。

Rb參數(shù)化詳見Erisman和Draaijers的文獻(xiàn)[6]。

k為卡曼常數(shù)（0.41），u*為摩擦速度，Pr為普朗特常數(shù)，Sc為施密特常數(shù)。

Rc參數(shù)化詳見Wesely的文獻(xiàn)[7]。

RS為氣孔阻力，Rm為葉片葉肉阻力，Rtu為植物上部冠層阻力，Rdc為氣象轉(zhuǎn)移阻力受上升對流影響系數(shù)，Rcl為低冠層表層阻力，Rac為受冠層高度和密度影響的轉(zhuǎn)移阻力，Rgs為下墊面影響因子。

（2）實測不同形態(tài)干沉降氮的濃度，各組分干沉降量計算公式為：

式中，F(xiàn)d為大氣氮干沉降月沉降量，Cz為特定高度下大氣氮干沉降不同形態(tài)氮組分的濃度（μg N m-3），Vd為一定采樣時段沉降物質(zhì)的沉降速率。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

大氣氮干濕沉降數(shù)據(jù)集中包括不同氮組分的月平均沉降速率、月平均濃度和月沉降量字段。具體的內(nèi)容及各字段涵義如表2和表3。

表2 大氣濕沉降數(shù)據(jù)表字段涵義

字段代碼 數(shù)據(jù)類型及小數(shù)位數(shù) 量綱 字段說明Year 整數(shù)型 觀測年份Month 整數(shù)型 觀測月R 浮點型，2 mm 對應(yīng)的降雨量C-WTN 浮點型，2 mg N L-1 濕沉降中總氮月平均濃度F-WTN 浮點型，2 kg ha-1 濕沉降中總氮月沉降量C-WTDN 浮點型，2 mg N L-1 濕沉降中可溶性總氮月平均濃度F-WTDN 浮點型，2 kg ha-1 濕沉降中可溶性總氮月沉降量C-WNN 浮點型，2 mg N L-1 濕沉降中硝態(tài)氮月平均濃度F-WNN 浮點型，2 kg ha-1 濕沉降中硝態(tài)氮月沉降量C-WAN 浮點型，2 mg N L-1 濕沉降中銨態(tài)氮月平均濃度F-WAN 浮點型，2 kg ha-1 濕沉降中銨態(tài)氮月沉降量C-WDON 浮點型，2 mg N L-1 濕沉降中可溶性有機(jī)氮月平均濃度F-WDON 浮點型，2 kg ha-1 濕沉降中可溶性有機(jī)氮月沉降量

表3 大氣干沉降數(shù)據(jù)表字段涵義

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

從觀測到樣品分析均嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)質(zhì)量，觀測數(shù)據(jù)從前期采樣、樣品保存、室內(nèi)分析到后期數(shù)據(jù)檢查和錄入，均經(jīng)過臺站專業(yè)科研人員和實驗室分析人員進(jìn)行質(zhì)控體系和流程檢驗[2]。

采樣主要依靠經(jīng)驗豐富的固定監(jiān)測人員完成，采用統(tǒng)一定制的樣品編號標(biāo)記，所采集樣品及時冷藏以保證樣品質(zhì)量。室內(nèi)分析時，所用儀器均定期校準(zhǔn)，并由操作經(jīng)驗豐富的實驗室分析人員按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行分析，使用液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和空白樣品進(jìn)行質(zhì)控。樣品測試使用的方法首選國家標(biāo)準(zhǔn)方法，以氮為例，采用的是紫外分光光度法（GB 11894-89）。氮沉降中濕沉降分析方法參考水樣分析方法[8]，干沉降各項指標(biāo)分析方法參考英國生態(tài)水文中心推薦方法[3-4]。

此外，在數(shù)據(jù)整理過程中，對超過3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨分析，以保證數(shù)據(jù)集的可靠性。

4 數(shù)據(jù)價值和使用方法

中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站是ChinaWD觀測站點之一，其連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)有助于分析我國西南丘陵區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降變化，增加監(jiān)測方面的連續(xù)性。該數(shù)據(jù)可以作為川中丘陵區(qū)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大氣氮沉降監(jiān)測可靠背景資料，為查明該區(qū)域大氣活性氮現(xiàn)狀及變化、環(huán)境氮輸入及對生態(tài)環(huán)境影響提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

項目組基于本數(shù)據(jù)集已發(fā)表 SCI論文 2篇[2,9]；基于該研究完成培養(yǎng) 1名博士研究生的學(xué)位論文?，F(xiàn)在經(jīng)過整理將存儲在Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/732）上，以期為類似領(lǐng)域研究提供區(qū)域數(shù)據(jù)。讀者如需進(jìn)一步了解本數(shù)據(jù)集觀測數(shù)據(jù)的研究方法或研究結(jié)論，可與本文的通信作者聯(lián)系。

本數(shù)據(jù)集為研究型數(shù)據(jù)，提供了時間為2008–2013年的月數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)所有者也有次降雨的數(shù)據(jù)，可為其他有需要的研究者提供參考和使用。有需要次降雨數(shù)據(jù)的可與數(shù)據(jù)作者聯(lián)系。2013年之后該觀測工作仍在繼續(xù)，同時根據(jù)對大氣污染過程認(rèn)識的加深，逐步增加了其他相關(guān)監(jiān)測指標(biāo)。

致 謝

感謝野外監(jiān)測人員在樣品采集和分析時付出的辛勤和努力。